Для заметок лекция 6 сетевой уровень модели osi
1. Основные функции сетевого уровня
Рассмотренные в предыдущих лекциях технологии и оборудование физического и канального уровня модели OSI позволяют обеспечить обмен информацией между компьютерами только в пределах одной локальной сети. Канальный уровень, однако, не в состоянии осуществить обмен информацией между компьютерами в сложной компьютерной сети, состоящей из нескольких отдельных сетей. Эту задачу решает сетевой уровень.
Сетевой уровень в модели OSI занимает промежуточное положение: его услугами пользуются более высокие уровни (транспортный, сеансовый, представительный, прикладной), а для выполнения своих функций он использует канальный уровень.
На сетевом уровне реализуется ключевое понятие объединения сетей, т.е понятие абстрактной коммутационной системы или межсетевого обмена.
На сетевом уровне информация передаются отдельными блоками, которые называются пакеты.
Идея передавать информацию между отдельными сетями не целыми файлами, а маленькими пакетами стала основной идеей объединения сетей, а в конечном итоге привела к бурному развитию глобальной компьютерной сети Интернет.
Пакетный обмен информацией на сетевом уровне имеет два главных преимущества:
независимость процессов передачи данных сетевым уровнем от прикладных программ. Компьютеры сетевого уровня «не знают», какому приложению принадлежит данный пакет, их задача состоит в передаче пакета в нужном направлении. Это ускоряет процессы обработки пакетов и делает систему передачи информации более гибкой.
каждый из пакетов имеет заголовок, обязательно содержащий адрес назначения. Заголовок пакета сетевого уровня имеет унифицированный формат, не зависящий от форматов кадров канального уровня отдельных подсетей, входящих в общую сеть. Этот заголовок позволяет находить адресата в сети с любой топологией.
Пакеты сетевого уровня упаковываются в кадры канального уровня и передаются по подсети в соответствии с правилами реализованной в этой подсети технологии (Ethernet, FDDI и т.д.)
В общем случае сетевой уровень модели OSI решает следующие задачи:
переадресация информации между конечными узлами в составных сетях путем выбор маршрута передачи пакетов
согласование разных протоколов канального уровня, использующихся в отдельных подсетях составной сети
Следует иметь четкое представление, что реальное продвижение пакетов осуществляется только на канальном и физическом уровне модели OSI, т.к. только там существуют электрические или оптические сигналы. Без «упаковки» пакетов в кадры соответствующих канальных технологий сам сетевой уровень передать информацию не в состоянии. Это наглядно представлено на Рис.1
Маршрутизация пакетов
Сетевой уровень
Продвижение пакетов (внутри
кадров)
Канальный уровень
Физический уровень
Рис.1
Представление маршрутизации в модели
OSI
2. Маршрутизация и маршрутизаторы
Протоколы сетевого уровня реализуются, как правило, в виде программных модулей и выполняются на конечных узлах- компьютерах, называемых хостами, а также на промежуточных узлах- маршрутизаторах, называемых шлюзами. Маршрутизаторы (router) может представлять собой как специализированное устройство, так и универсальный компьютер.
Компьютерная сеть в общем случае рассматривается как совокупность нескольких сетей (Рис.2).
Сети, входящие в основную сеть называются подсетями или просто сетями. Подсетями могут быть как локальные, так и глобальные компьютерные сети. Следует отметить, что внутри одной подсети на канальном уровне используется единая технология из рассмотренных в предыдущих лекциях..
Маршрутизаторы связывают подсети между собой путем непосредственной адресации каждой из подсетей. Способом формирования сетевого адреса является уникальная нумерация всех подсетей составной сети и нумерация всех узлов в пределах каждой подсети. Таким образом, сетевой адрес представляет собой пару: номер сети (подсети) и номер узла. Номер узла называется также локальным адресом..
Продвижение пакетов между подсетями, в соответствии с адресами назначения называется маршрутизацией. На Рис. 3 показан принцип работы маршрутизатора, где в качестве примера приведена таблица маршрутизации маршрутизатора М4.
LAN Ethernet
Маршрутизатор 1
LAN Token
Ring
LAN FDDI
WAN Frame relay
WAN ISDN
Маршрутизатор 3
Маршрутизатор 2
Маршрутизатор 3
Рис. 2 Построение сложной компьютерной
сети
Для выбора маршрута пересылки пакета маршрутизатор анализирует специальную таблицу маршрутизации, которая хранится в памяти маршрутизатора. В первом столбце таблицы перечислены номера сетей, входящих в общую сеть. В каждой строке таблицы следом за номером сети указывается сетевой адрес следующего маршрутизатора (точнее его соответствующий порт), на который надо направить пакет, чтобы тот передвигался к сети с данным номером. Когда на маршрутизатор поступает новый пакет, из него извлекается номер сети назначения, сравнивается с каждой строкой таблицы. В случае совпадения номера, записанного в таблицу, с требуемым номером пакет будет передвигаться в этом направлении
Если, например, маршрутизатор 4 принял пакет, который предназначен для сети S6, то в последней строке своей таблицы маршрутизации он определит, что сеть S6 подключена к первому порту маршрутизатора М5, а для того, чтобы пакет попал на маршрутизатор 5, маршрутизатор 4 должен отправить пакет на свой второй порт.
S 1
S 2
(1)
S 3
(2)
(3)
М1
(1)
(1)
М4
М3
М2
(1)
(2)
(2)
(2)
S 4
S 5
(1)
(2)
М5
Таблица маршрутизатора М4
Сеть |
Сетевой адрес следующего маршрутизатора |
Сетевой адрес выходного порта |
Расстояние до сети назначения |
S1 |
М1 (2) |
М4 (1) |
1 |
S2 |
- |
М4 (1) |
0 |
S3 |
М1 (2) |
М4 (1) |
1 |
S4 |
М2 (1) |
М4 (1) |
1 |
S5 |
- |
М4 (2) |
0 |
S6 |
М5 (1) |
М 4(2) |
1 |
Рис.3 Принцип
работы маршрутизатора
Таблицы маршрутизации могут составляться либо статически, либо динамически. Статические таблицы прописываются вручную администратором сети, а динамические таблицы строятся самими маршрутизаторами, которые обмениваются между собой информацией о конфигурации сети с помощью специальных служебных протоколов (например, RIP, OSPF, NLSP).
При использовании динамических алгоритмов таблица маршрутизации автоматически обновляется при изменении топологии сети или интенсивности информационных потоков (трафика). Реализуемые специальными служебными протоколами алгоритмы определения состояния сети различаются по способу получения информации, времени изменения маршрутов и используемым показателям оценки того или иного маршрута.
Одно-маршрутные алгоритмы определяют только один маршрут, при этом он может оказаться не оптимальным. Многомаршрутные алгоритмы предлагают несколько маршрутов к одному и тому же получателю. Такие алгоритмы позволяют передавать пакеты получателю по нескольким каналам связи одновременно, что повышает пропускную способность и надежность сети в целом.
Кроме основных функций маршрутизации на сетевом уровне маршрутизатором осуществляется фильтрация передаваемой по сети информации. Маршрутизаторы по сравнению с концентраторами и коммутаторами являются более «интеллектуальными» устройствами. С помощью своего программного обеспечения маршрутизаторы способны производить анализ отдельных полей в кадре, администратор сети может с их помощью задавать сложные алгоритмы фильтрации данных. Они, например, могут запретить прохождение в сети всех пакетов, кроме пакетов сети, принадлежащей конкретному предприятию. Маршрутизаторы могут анализировать структуру сообщений верхнего уровня модели OSI, не пропускать в сеть сообщения определенных служб (например, FPT).
Они могут реализовывать алгоритмы обслуживания очередей данных. Связь маршрутизатора (т.е. сетевого уровня) с канальным осуществляется с помощью преобразования сетевого адреса в локальный адрес той сети, где используется определенная технология канального и физического уровня. Для этого сетевой протокол обращается к протоколу разрешения адресов.(ARP) Этот протокол устанавливает соответствие между сетевыми и локальными адресами либо на основании заранее составленных таблиц, либо рассылкой широковещательных запросов, которые определяют и возвращают машрутизатору локальные адреса.
Пакет сетевого уровня снабжается сетевым заголовком, в котором указываются длина пакета, адрес источника, адрес получателя, время жизни пакета и другая служебная информация. С сетевого уровня пакет, локальный адрес следующего маршрутизатора, а также номер порта маршрутизатора отправителя предаются вниз, канальному уровню.. На основании указанного номера порта выполняется упаковка пакета в кадр соответствующего формата, предписываемого соответствующей технологией канального уровня. Другими словами, маршрутизатор заранее «знает», к какому порту подключена подсеть, и какая именно технология канального уровня реализуется в этой подсети. В поле адреса назначения заголовка кадра помещается локальный адрес следующего маршрутизатора. Если маршрутизатор реализован на персональном компьютере, то локальный адрес канального уровня представляет собой физический адрес сетевой палаты компьютера, он задается заводом изготовителем и называется MAC – адресом (Media Access Control) Сформированный таким образом кадр отправляется в сеть.
Для работы на сетевом уровне используются различные протоколы, такие как TCP\IP и IPX/ SPX, причем в последнее время протокол TCP/ IP вышел в абсолютные лидеры. Более подробно протокол TCP/IP будет рассмотрен в лекциях, посвященных изучению Интернет.
Как отмечалось выше,о современные маршрутизаторы в состоянии находить наилучший путь продвижения пакетов, т.е. в некотором смысле оптимизировать маршрутизацию. Маршрутизаторы могут поддерживать как один протокол сетевого уровня (например, IP), так и множество протоколов. В последнем случае такие маршрутизаторы называются многопротокольными.
По областям применения маршрутизаторы можно классифицировать:
магистральные маршрутизаторы. Они предназначены для построения центральной сети фирмы или предприятия. Такая сеть, как правило, состоит из большого числа локальных сетей, расположенных в разных зданиях и даже регионах, использующих разнообразные технологии канального уровня. Магистральные маршрутизаторы- это наиболее мощные устройства, способные обрабатывать несколько тысяч или даже несколько миллионов пакетов в секунду.
региональные маршрутизаторы соединяют региональные отделения фирмы или предприятия между собой и центральной сетью. Маршрутизаторы этого типа представляют собой некоторую упрощенную версию магистральных маршрутизаторов. Это наиболее обширный класс маршрутизаторов, из имеющихся на рынке.
маршрутизаторы удаленных офисов соединяют, как правило, локальную сети удаленного офиса с центральной сетью или с сетью регионального отделения.
маршрутизаторы локальных сетей предназначены для разделения крупных локальных сетей на подсети. Основное требование, предъявляемое к таким маршрутизаторам – это высокая скорость маршрутизации. Все порты работают на скорости 10 – 100 Мбит/ с.
На современном рынке сетевого оборудования лидерство по маршрутизаторам держат фирмы Cisco и 3Сom.